一種玻璃材料氣溶膠聚焦氣路樣氣管道及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于單氣溶膠粒子實時檢測與分析儀器中氣溶膠粒子聚焦氣路的樣氣管道及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣溶膠是指由固體或液體粒子分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的多項混合體系。粒子或顆粒大小為0.001?100 μm。習慣上，把這些粒子稱為氣溶膠。
[0003]氣溶膠粒子對地氣輻射平衡、成云致雨、水循環(huán)、能見度改變等諸多物理化學過程和人體健康重要影響。大氣氣溶膠粒子種類與組分來源多相、構(gòu)成復雜，研宄人員需要根據(jù)氣溶膠粒子的物理、光學或化學特征等識別粒子及其來源。因此，在環(huán)境檢測和研宄相關(guān)領(lǐng)域需要實時、原位的氣溶膠粒子檢測和分析技術(shù)。例如，基于氣溶膠粒子彈性光散射原理的光學粒子計數(shù)器已被廣泛用于測量單個粒子散射光場強度分布從而獲取氣溶膠粒子粒徑尺度分布。
[0004]單粒子實時檢測與分析技術(shù)通過快速、準確測量采樣的大氣氣溶膠流路中單個粒子的相關(guān)特性參數(shù)，通過對數(shù)據(jù)的處理分析和統(tǒng)計判斷得到環(huán)境空氣中的氣溶膠粒子的相關(guān)信息。由于一般需檢測氣溶膠粒子粒徑范圍一般在0.1-10 μπι，檢測系統(tǒng)獲得的信號強度較為微弱。為了減少系統(tǒng)檢測誤差和粒子重疊誤差，提高信號檢測靈敏度與一致性，許多檢測系統(tǒng)采用基于空氣動力學原理設(shè)計的氣溶膠聚焦氣路。
[0005]圖1為一種常規(guī)氣溶膠聚焦氣路結(jié)構(gòu)示意圖，聚焦氣路上部分為內(nèi)外圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，由鞘氣進氣嘴14、外圓環(huán)鞘氣管路15、內(nèi)圓環(huán)樣氣進氣管道16和進氣噴嘴17組成，通常安裝于檢測裝置腔體上表面。聚焦氣路下部分為出氣噴嘴18，安裝于檢測裝置腔體下表面。氣路中有2組氣泵分別控制裝置總體氣路和鞘氣氣路流量和流速。氣路通過氣管、連接件與結(jié)構(gòu)件密封連接。大氣氣溶膠被采樣進入樣氣管道。外圓環(huán)鞘氣管道通入潔凈鞘氣。聚焦氣路工作原理如圖2所示，在氣路出口噴嘴位置，受到鞘氣應(yīng)力作用，樣氣氣路束徑在一定氣路長度內(nèi)會被壓縮、或稱聚焦。隨樣氣運動的氣溶膠粒子位置范圍隨束徑縮小。當樣氣中粒子濃度在限定區(qū)間，粒子在較小相對位置誤差范圍內(nèi)形成單粒子序列依次通過檢測系統(tǒng)的理想檢測區(qū)域，減少重疊誤差，提高檢測準確度。同時，包裹樣氣的潔凈鞘氣能夠減少其它外部粒子的干擾。
[0006]在氣溶膠聚焦氣路中，樣氣管道需要滿足以下要求:
[0007]I)氣路設(shè)計要求:包括樣氣管道入口內(nèi)徑、出口內(nèi)徑和長度等尺寸，樣氣管道出口端面角度等；
[0008]2)結(jié)構(gòu)裝校要求:通常樣氣管道與鞘氣管道或入口噴嘴結(jié)構(gòu)連接，管道氣路中心與入口噴嘴具有同軸度、相對位置等參數(shù)要求；
[0009]3)加工設(shè)計要求:由于氣路和結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計要求限制，為保證樣氣管道尺寸和避免結(jié)構(gòu)加工變形等因素，需要考慮符合要求的可行性方案。
[0010]另外，由于樣氣管道常采用便于加工和裝配的金屬材料，在使用中無法觀測內(nèi)管壁污染狀況，也難以對內(nèi)管壁清洗干凈，會造成氣溶膠檢測誤差。
[0011]在先技術(shù)一(參見“微粒檢測裝置”，中國專利號200920307707.1，發(fā)明人詹寧波、
吳太虎、杜耀華等)采用的進樣管為直細管，嵌裝在進樣法蘭托內(nèi)圓上，并且利用快插接頭進氣。該結(jié)構(gòu)存在以下不足:
[0012]①該樣氣管道細長、壁厚小，容易變形。在組裝時樣氣管道位置如有偏差，較難保證與鞘流管的同軸度；
[0013]②該樣氣管道嵌裝在進樣法蘭托內(nèi)圓上，配合不易緊密，快插接頭與進樣法蘭托采用螺紋連接，整個結(jié)構(gòu)密封效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提出基于飛秒激光加工的玻璃材料的氣溶膠聚焦氣路樣氣管道。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0016]一種氣溶膠聚焦氣路的樣氣管道，其特點在于:
[0017]所述氣溶膠聚焦氣路的樣氣管道包含樣氣管道本體、連接安裝法蘭、壓圈、壓圈安裝螺釘、密封配合件5部分。所述樣氣管道本體的材料為玻璃。
[0018]如圖3所示，所述樣氣管道本體外圓按照結(jié)構(gòu)設(shè)計加工要求，采用一定錐形角度過渡或分段外徑階梯增長過渡等設(shè)計方案，從樣氣出口端面處所需要的較小外徑尺寸過渡到適合配合的外徑尺寸。其中包括樣氣出口端面和外圓各段外徑階梯增長之間采用圓角或錐角過渡，減少氣流干擾。樣氣管道本體與連接安裝法蘭有兩對配合面，分別為保證同軸度的孔軸配合和保證樣氣出口端面位置的內(nèi)平面配合。
[0019]所述樣氣管道本體內(nèi)管按照設(shè)計要求為等徑或多段不同內(nèi)徑的氣路通孔，樣氣進氣內(nèi)孔和各段不同孔徑的氣路內(nèi)管之間通過錐角過渡，減少氣流干擾。所述樣氣管道的內(nèi)孔由飛秒激光加工方法實現(xiàn)，相關(guān)尺寸參數(shù)由加工保證。
[0020]所述連接安裝法蘭為可選用金屬等材料。法蘭可在外側(cè)設(shè)計均布孔，用于樣氣管道與鞘氣管道等部件的機械連接；也可依據(jù)實際條件直接與鞘氣管道集成。連接安裝法蘭除與樣氣管道的兩對配合面外，與鞘氣管道有兩對配合面，分別為保證同軸度的內(nèi)孔徑配合和保證樣氣出口端面位置的內(nèi)平面接觸配合。
[0021]所述樣氣管道本體與連接安裝法蘭可以通過壓圈安裝螺釘安裝壓圈方式連接為組件，在樣氣管道本體與連接安裝法蘭之間采用O型圈密封或密封膠密封，也可采用密封膠粘連固定密封。
[0022]所述的樣氣管道本體加工分為以下2個步驟:
[0023]I)管道本體外圓加工由常規(guī)光學材料加工方法實現(xiàn)；
[0024]2)樣氣管道本體內(nèi)管由飛秒激光加工方法實現(xiàn)。
[0025]所述的飛秒激光加工技術(shù)以其加工精度高、熱效應(yīng)小和可以對透明材料實現(xiàn)三維微加工等優(yōu)點在當代微制造領(lǐng)域中提供了一種制備大規(guī)模、復雜三維微結(jié)構(gòu)的方法。飛秒激光通過非線性吸收過程對玻璃進行空間選擇性局域改性，從而具有高分辨的三維加工能力。
[0026]本發(fā)明使用玻璃為基底材料，采用飛秒激光輻照玻璃后直接使用氫氟酸或氫氧化鉀腐蝕的方法加工氣溶膠聚焦氣路樣氣管道。其中，石英玻璃具有優(yōu)異的光學透過性能，耐高溫，膨脹系數(shù)低，化學穩(wěn)定性和電絕緣性能良好，最小加工內(nèi)徑可到達3 μπι。該加工方法詳見參見文獻:A.Marcinkevicius, S.Juodkazis, et al., Opt.Lett.26, 277 (2001)。
[0027]與在先技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點:
[0028]I)所述樣氣管道滿足氣溶膠聚焦氣路設(shè)計、裝校、加工技術(shù)要求；
[0029]2)樣氣管道內(nèi)孔可由激光加工實現(xiàn)，與結(jié)構(gòu)要求的同軸度性好，加工與殘留應(yīng)力小，并且內(nèi)管徑可達微米級；
[0030]3)樣氣管道本體與連接安裝法蘭采用平面和孔軸面配合，易于保證樣氣管道的相對位置、垂直度、同軸度要求；
[0031]4)樣氣管道本體是一體式結(jié)構(gòu)，與所述連接安裝法蘭通過O型圈或密封膠粘連定位，密封性好；
[0032]5)樣氣管道由玻璃加工制作，易于查看管道污染狀況，進行清洗或替換。
【附圖說明】
[0033]圖1本發(fā)明所介紹的一種常規(guī)氣溶膠聚焦氣路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為氣溶膠聚焦氣路工作原理圖；
[0035]圖3為本發(fā)明中設(shè)計的玻璃制氣溶